Materiais Magnéticos para Energia e Ambiente

Rodrigo EberhartRenato Fernandes

UFABC

Energia e Ambiente

● Nanomateriais magnéticos● Novos materiais magnéticos● Novas ligas magnéticas● Pesquisas recentes● Curiosidades● Materiais avançados Magnéticos

História do Magnetismo

O que produz um campo magnético?

Michael Faraday

● Nota comemorativa – Faraday● Um dos pioneiros dos estudos do

eletromagnetismo

James Clerk Maxwell

● Equações de Maxwell - Eletromagnetismo

Equações de Maxwell

● 4 equações de Maxwell

Rev. Bras. Ensino Fís. vol.32 no.4 São Paulo Oct./Dec. 2010

Magnetismo da Terra

Magnetismo da Terra

● Protetor da Terra dos raios cósmicos e do vento solar que seria mortal para os seres vivos da terra

● Outra importância diz respeito a conservação da Atmosfera na Terra

Visões Populares

Forno de Micro-ondas

Funcionamento Básico de um Forno de Micro-ondas

● O Magnetron emite ondas de micro-ondas direcionadas em linha reta

Exemplos de ordenamento magnético

Histerese

Domínios Magnéticos

Tamanho diferentes e interações

SQUID (Superconduting Quantum Interference Device)

Identificação da estrutura cristalina de um cluster

magnético (difração de nêutrons)

Aplicações

● Lâmpadas ● Fluorescentes● Contém Ítrio e ● Térbio.

Aplicações

● Imãs de terras raras● Neodímio,Samário,Hólmio,Térbio.● Computadores discos rígidos (Hard disk)● Turbinas Eólicas (geradores), Neodímio.● Audio auto falantes/fones de ouvido● Bicicletas dinâmos● Motores eletricos com imãs permanentes

Aplicações

● Motores lineares (usados nos trens Mag-lev)● Rolamentos eletrodinâmicos● Montanhas russas de passeio● Pickups de guitarra● Windbelt geração de eletricidade por indução

eletromagnética e vibração aerostásticas.

Aplicações

● Nanomateriais magnéticos● Novos remédios contra o câncer● Novos materiais para estabilizar nanotubos

de carbono de forma homogênea● Aplicações na indústria aeroespacial

fuselagem de caças, de transporte e aviões comerciais (EMBRAER, BOEING, SAAB, AIRBUS)

Fuselagem de caças

● Usa-se nanomateriais com propriedades magnéticas para estabilizar o material nanocomposto de forma homogênea, para melhorar as características do material avançado.

● Centro de pesquisa em SBC em SP com pesquisas variadas sobre aviônica avançada e materiais avançados com a liderança do Prof. Da UFABC Frank Crespilho, que pesquisará nanomateriais magnéticos e nanotubos de carbono na fab. de nanocompósitos.

Nanomateriais

● Presentes na Fuselagem de caças avançados, como o SAAB Gripen, gerando economia de energia e materiais.

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Fuselagem

Nanomateriais Magnéticos

● Linha recente de pesquisas ● Muito Promissora● Novos materiais● Nanomateriais de Ouro, Prata com diferentes

propriedades magnéticas● Novos materiais nanocompósitos com

nanopartículas magnéticas

Aplicações e materiais envolvidos

● Imã interessante de Neodímio, ferro e boro (NdFeB) substituindo-se o Nd por Praseodímio percebe-se aumento de desempenho do imã depois com a adição de carbeto de titânio (TiC)

● Nanopartículas (TiC) estabilização e homogenizam o imã em questão para motores elétricos e inúmeras outras aplicações.

● UFABC, profa. Regina Keiko Murakami

Reciclagem de imãs de discos rígidos patenteada pelo IPT

● Imã feito de liga de Nd-Fe-B usado em HD e em geradores de turbinas eólicas (imagem IPT,2011)

● www.inovacaotecnologica.com.br

Etapas para reciclagem de material magnético

● 4 etapas:Reciclagem dos ímãs de neodímioA técnica de reciclagem de ímãs combina quatro etapas:1.hidrogenação;2.desproporção (transformação da fase magneticamente dura em outras fases);3.dessorção (retirada de hidrogênio da estrutura cristalina do composto previamentehidrogenado); e4.recombinação (obtenção da fase magneticamente dura com tamanho de grão inferior ao inicial) em ligas à base de neodímio-ferro-boro.

Artigos importantes

* Microstructure of fine-grained Nd–Fe–B sintered magnets

with high coercivity

H. Sepehri-Amin,a Y. Une,b T. Ohkubo,a K. Honoa, ⇑ and M. Sagawaba National Institute for Materials Science, Tsukuba 305-0047, Japan

bIntermetallics Co., Ltd., Kyoto 615-8245, Japan

Março 2011

Aplicações na área Médica

● Aparelho de Ressonância Magnética por dentro

Aparelho Ressonância Magnética

LHC

HD

Materiais Utilizados em HD

● Disprósio, Neodímio, e diversas ligas.● 467 doláres/Kg há oito anos valia 15 U$ ● Brasil se quiser aumentar sua participação no

mercado de eletrônicos, terá que investir em reciclagem e mineração de terras raras. (Carajás, PA, Minas Gerais), porque os valores estão aumentando a cada ano.

Spintrônica

● Magnetização espontânea● Cientistas conseguiram otimizar uma

propriedade conhecida como magnetização espontânea em um dos materiais mais promissores para o emergente campo da spintrônica.

● Na spintrônica, os dados digitais são armazenados nos spins de elétrons individuais, e não em correntes de elétrons, como na eletrônica atual.

Spintrônica - Materiais

● Ferrita de Bismuto● Imagem da superfície de uma amostra da ferrita de bismuto

● com duas fases cristalinas - as áreas vermelha e verde

● indicam os dois conjuntos de cristalizações, orientadas a 90

● graus uma em relação à outra. [Imagem: Ramesh group]

Arranjo Estrutura da estrutura cristalina(Romboédrica e

Tetragonal)Ferrita de Bismuto

Spintrônica

Magnetoeletrônicos

A ferrita de bismuto é um material promissor para a eletrônica, mas que também está chamando a atenção dos pesquisadores da área de energia solar.

• Películas ferroelétricas oferecem nova rota para a energia solar

A magnetização espontânea surge em um tipo específico de cristalização desse composto multiferroico e pode ser "apagada" com a aplicação de um campo elétrico. A magnetização é restaurada quando a polaridade do campo elétrico é invertida

Trem com levitação Magnética

Trem por Levitação Magnética

Levitação Magnética

Mecanismo de Levitação Magnética

Supercondutores

● Levitação Magnética

Supercondutores

Supercondução e efeito Meissner

Efeito Meissner

Repulsão magnética

● Repulsão de materiais magnéticos

Avanço da Tc em Supercondutores

Diamagnético Perfeito e Supercondutor

Efeito Meissner

● A propriedade que distingue um supercondutor (SC) de um condutor perfeito é o diamagnetismo,que impede que as linhas de força de um campo magnético penetrem no material.

● Essa propriedade conhecida como efeito Meissner – Walther Meissner (1882-1974) dá origem a um dos fenômenos mais intrigantes -

● Supercondutividade – Levitação Magnética

Estrutura de material supercondutor

Supercondutores do Tipo I e II

Supercondutividade

● Transporte de corrente elétrica com o mínimo de perda sem resistência

● Em 1993, o supercondutor com a maior temperatura crítica era uma cerâmica baseada nos elementos tálio, cobre, mercúrio, cálcio, bário e oxigênio com a fórmula HgBa2Ca2Cu3O8+δ com Tc = 138 K.

● YBCO – óxido de itrio cobre bário YBa2Cu3O7

Aplicações dos Supercondutores

● Promissoras aplicações futuras incluem redes inteligentes de alta performance, transmissão de energia elétrica, transformadores, dispositivos de armazenamento de energia, motores elétricos (por exemplo, para propulsão de veículos, trens maglev), dispositivos de levitação magnética, limitadores de corrente, os materiais nanoscópicos como as buckyballs, nanotubos, materiais compósitos e supercondutores refrigeração magnética. No entanto, a supercondutividade é sensível aos campos magnéticos em movimento para que os aplicativos que usam corrente alternada.

Heike Kamerlingh-Onnes

● Holandês (1856 – 1926)● Prêmio Nobel de Física● 1913

Supercondutores

● Levitação feita com um solenóide e sem sofrimento para o “Batráquio” - sapo.

● Ig ● Nobel ● 2000

Supercondutores – Teoria BCS

Em suma, na teoria BCS, a

atração entre pares de elétrons

mediada por oscilações da rede

cristalina é a responsável pela

supercondutividade. Os pares de

Cooper formam um condensado

que flui sem resistência pelo

material e atua expelindo campos

magnéticos externos fracos,

ocasionando o efeito Meissner.

Condutores e Supercondutores

Supercondutores

● Túlio ….elementos de terras raras● E outros elementos que formam materiais

cerâmicos misturados os elementos são formados óxidos dessas misturas cerâmicas supercondutoras

● Ti- Titânio,Y- Ytrio, Hg-Mercúrio, Ba-Bário, Nb - Nióbio, Pb-Chumbo,Sr- Estrôncio, Bi-Bismuto, Cu – Cobre entre outros elementos.

Materiais Supercondutores

● Este novo material é um metal, formado por uma liga de estrôncio, manganês e bismuto (SrMnBi2), que se comporta de forma muito similar ao grafeno, o que abre a possibilidade de seu uso em conjunto ou como substituto nas mesmas funções.

Materiais Supercondutores

● Mas o que mais está chamando a atenção é a possibilidade de "dopagem" do SrMnBi2 com outros elementos, o que poderá criar ímãs super fortes ou novos materiais supercondutores de alta temperatura.

● Anisotropic Dirac Fermions in a Bi Square Net of SrMnBi2

● Joonbum Park, G. Lee, F. Wolff-Fabris, Y. Y. Koh, M. J. Eom, Y. K. Kim, M. A. Farhan, Y. J. Jo, C. Kim, J. H. Shim, J. S. Kim

● Physical Review Letters, vol.107, acessado dia 16/11/2011.

Aplicações variadas

Aplicações Práticas

Necessita de uma grande infraestrutura

● Mas é viável!

Motor de elétrico

Materiais de Motores elétricos

● Motores elétricos necessitam de magnetos de Neodímio e outras ligas.

● Ferramentas elétricas requerem magnetos de Neodímio e disprósio em seus motores

● Miniaturizados.

Gerador de energia

Fusão Nuclear

● França ITER, 2018...(Promessas...)

Cabo Supercondutor

● 3.200 A e 24.000 Volts.....UAU.......!!!!!!● O efeito foi realizado por espanhóis em 2009...

Transmissão de Energia Elétrica com cabos Supercondutores

● Supercabos de transmissão (Nexan, Hannover)● Alemanha (2010) 3200A e 24 Kv !

Cabos Supercondutores

● Aumentam a eficiência de transmissão de energia eletrica

● São feitos de materiais variados Férricos, Sanduichados com cerâmicas supercondutoras, plásticos especiais, cobre, aluminio, e outras ligas avançadas.

Supercondutor

● Cabo supercondutor

● YBCO, vêm em forma de fita de 1,5 mícron, em cabos mais avançados usam fitas com uma camada de óxido de cério ( que ajuda a alinhar os cristais), entremeado com 6 camadas de YBCOde 0,6 mícron.(testado em 2006/07 em NJ EUA)

Turbinas Eólicas

● Materiais compósitos, metálicos, e com ligas com elementos como o Neodímio.

● No magneto dos aerogeradores podem existir mais 230 Kg de Neodímio.

Imã permanente para motores elétricos es que aguentam

temperaturas de 200ºC● Engenheiros Americanos do laboratórios Ame,

descobriram uma liga feita de Ytrio, Neodímio e disprósio em estruturas cristalinas 2-14-1' que aumentam a eficiência do Magneto em altas temperaturas.

● Esta melhoria nos materiais possibilitará carros híbridos melhores e mais eficientes em realação a perda de eficiência energética. O ytrio e o desprósio alteram o coeficiente térmico deste novo material.

Nobel de Física - 2010

● Geim e Novoselov

Grafeno

GRAFENO

● Única camada monoatômica de átomos de carbono com inúmeras aplicações;

● Novos compostos eletrônicos, magnéticos, estruturais

● Efeito Hall anômalo, condutividade de corrente transversal em um campo magnético perpendicular, formação de vales quânticos valetrônica....